【牛津通識課28】行星：探索人類潛在新住所

第一章 太陽系(摘錄)

行星的歷史

光害與霧霾等禍害出現之前，古人比起現代人更熟悉夜晚的天空。遠古文化認為天空中的行星相當特別，因為它們為「流浪的星星」，移動於「固定」恆星的背景之中。自古以來，已知水星、金星、火星、木星與土星等五顆行星—這五顆行星的亮度足夠引起肉眼注意。太陽和月球當然也相當明顯，但「行星」看起來像游移的光點，而太陽和月球則看起來像圓盤，因此被當成與前者不同之物。在人類出現之後的歷史，地球被認為是開天闢地的中心，與天空中的物體並無相連，因此不認為它是行星。

關於地球和其他星球一樣，為繞著太陽轉的岩石球體，以及為行星群之一這樣的知識躍進，出現的相當晚。整個過程相當緩慢，當中也出現過許多假曙光。在西元前五世紀間，古希臘哲學家安納薩哥拉（Anaxagoras）正確推論月球為反射太陽光的球形體，但他卻因提出這樣的看法而遭到流放。接下來數世紀間，許多中國天文學家發展類似概念，但月球為球體的概念尚未進入大眾認知中，一直到十七世紀時，透過望遠鏡觀測，它的外貌才變得較為人所知。






對於行星，一般認為它們是繞著地球轉的光點，直到與之相對視太陽為動作中心的「日心說」逐漸被接受，此看法才有所改變。最早提出地球繞著太陽轉的文字記錄可追溯至西元前九世紀的印度典籍，儘管有此典籍和後續由古希臘與伊斯蘭教的智者們的研究，以及哥白尼（Nikolas Copernicus）於一五四三年提出的倡議，然而直到十八世紀，日心說才變成主流。伽利略（Galileo Galilei）更因為提倡日心理論的關係（透過望遠鏡觀測到月球上的山脈、金星的位相變化，和繞著木星轉的四顆小衛星），從一六三三年開始被軟禁在家中，直到一六四二年過世。

從十七世紀開始，人們透過望遠鏡發現行星體為能辨識的微小圓盤，而恆星為持續發亮的光點，單就這點即能分辨行星與恆星的基本屬性不同，因此使得將行星視為與地球相近的天體的看法，變得更容易被人接受。順帶一提，我們現在知道恆星的體積比行星大的多，再者（除了太陽之外），恆星也離我們相當遙遠，只有非常少數的恆星能透過最精密的現代望遠鏡，看到些許星體表面的細節（明亮的恆星在照片中看起來比微暗的恆星大，但那只是光學效應—其亮度受到暈染而散開—所帶來的錯覺）。

克卜勒行星運動定律

一六○九年，約翰內斯．克卜勒（Johannes Kepler）發現行星（包括地球）都以某種途徑（軌道）繞著太陽，而這些軌道為橢圓形而非完美的圓形，外加牛頓（Isaac Newton）於一六八七年提出萬有引力，解釋行星的運動。於是，行星相對於地球的距離與其大小才開始能夠推算出來。

提到橢圓，我們可能會想到一個「蛋形」（oval）。數學上來說，橢圓的定義為一封閉的曲線由兩點（橢圓的焦點）所繪成，兩焦點到曲線上任一點的距離和相同。圓形為一種特別的橢圓形，其兩焦點重合在圓的中心點。兩焦點之間的距離越遠，橢圓更加扁長，或更為「非正圓」。克卜勒推論行星沿著橢圓軌道運行，太陽則位於各個橢圓軌道的焦點之一（另一焦點則留白）。軌道上最靠近太陽的點稱為「近日點」（perihelion，希臘語意為「離太陽最近的」），而最遠的點稱作「遠日點」（aphelion，希臘語意為「離太陽最遠的」）。行星的軌道並非是正圓形，但若畫成平面圖，其圖形看起來非常像圓形。例如：火星運行至遠日點時，它與太陽之間的距離比起在近日點時，大約多了二十一％，而地球的近日點與遠日點的距離差約只有四％。

克卜勒以他的行星運動三定律聞名。克卜勒第一定律提及諸行星運行在橢圓軌道，太陽位在橢圓的焦點之一。第二定律提及行星以不同的速度運行於軌道上：當行星越靠近太陽，其移動速度越快（隨後由牛頓萬有引力理論解釋其成因），假想一條從行星連結到太陽的直線，該直線必定在相等時間內掃過相等的面積。克卜勒第三定律連接行星的軌道周期（繞太陽一周的時間）與行星至太陽的平均距離：行星公轉周期的平方與行星到太陽平均距離的立方成正比。行星到太陽的平均距離恰巧等於橢圓軌道長軸長度的一半（其「半長軸」），或也可說是近日點與遠日點直線距離的一半。

克卜勒的行星運動定律讓準確估量其他行星軌道大小得以進行，但其精準度全然受制於人們測量地球軌道大小的準確程度的不確定性。一六七二年，科學家以在不同地點同時觀測火星的方式，估測出地球與太陽的距離約一億四千萬公里，接近正確數值149,597,871公里。在一七六一年與一七七六年觀測金星通過太陽（後者由庫克船長停泊於大溪地進行觀測），得出的修正估算值為一億五千三百萬加減一百萬公里。儘管有這些科學進展使得關於太陽系範圍和性質的模型更具條理與巧妙，但是禁止在羅馬印製「日心說」書籍的禁令直到一八二二年才廢除。

你可能會認為，既然能夠計算出行星離地球的距離，那計算出其質量大小應該很容易。但即使透過大型望遠鏡，天體的微小加上地球大氣層的閃鑠，導致測量行星視角大小（換
言之，行星看起來的大小）有相當大程度的不確定性。舉例來說，一七八一年威廉．赫歇爾估算出的天王星的質量，就比實際上多了約八％。利用望遠鏡估算行星大小最準確的方式並非測量行星看起來有多大，而是測量此行星通過一恆星面前的時間。這樣的「掩星」（occultations）事件相當罕見，但到了十九世紀末，我們已經能夠相當精確估算行星的大小（表1）。

赫歇爾發現天王星是個偶然，一八四六年發現海王星則是刻意搜尋的結果。天王星軌道受輕微擾動（干擾其原本為完美橢圓的軌道）的現象，科學家認為很有可能是被一顆未被發現的外行星的重力所影響，因而展開搜索，發現了海王星。記錄觀察海王星一段時間後，它的軌道顯示這樣的擾動似乎更進一步指向一顆尚未發現的行星，從而引發了一九三○年發現冥王星的搜索活動。

一開始，天文學家認為這顆新發現的第九大行星大小與質量應該與天王星和海王星相近。但到了一九五五年，證據顯示冥王星不比地球大；一九七一年，此項估計重新下修到近似火星的大小；接著在一九七八年，人們發現冥王星的表面佈滿高反射性的冰凍甲烷，這代表它的實質大小要更小才能維持與其亮度的一致性。我們現在知道冥王星的直徑只有二千三百九十公里長，因此它的體積小於水星（質量甚至小很多）。

冥王星於二○○六年遭官方正式從行星行列中除名。這是很有爭議性的動作，但就我認為這是正確的作法。在詳述事情的始末之前，我將先來回顧我們現在已知太陽系的特質。

第一章 太陽系(摘錄)

行星的歷史

光害與霧霾等禍害出現之前，古人比起現代人更熟悉夜晚的天空。遠古文化認為天空中的行星相當特別，因為它們為「流浪的星星」，移動於「固定」恆星的背景之中。自古以來，已知水星、金星、火星、木星與土星等五顆行星—這五顆行星的亮度足夠引起肉眼注意。太陽和月球當然也相當明顯，但「行星」看起來像游移的光點，而太陽和月球則看起來像圓盤，因此被當成與前者不同之物。在人類出現之後的歷史，地球被認為是開天闢地的中心，與天空中的物體並無相連，因此不認為它是行星。

關於地球和其他星球一...

一八一六年，英國詩人約翰．濟慈（John Keats）在閱讀荷馬作品的新譯文後，在其書寫的十四行詩中提及在「黃金領域」（realm of gold）之中「品嚐純粹靜謐」（breathing the pure serene），並說道：

我感覺自己像是觀察天空的人，
當新的行星漫遊至他的觀察區之時，
或像是堅毅的柯提茲帶著如鷹眼的雙眼
緊盯著太平洋—而他的手下
看著彼此滿懷未知的猜測
靜默著，在達理恩的山頂

濟慈運用新天體做為比喻的靈感，可能源自威廉．赫歇爾爵士（Sir William Herschel）在一七八一年觀測到天王星的事件，或是源自首次發現四顆小行星的事件（一八○一∼一八○七年）。後者發生的時間較近，人們的記憶比較鮮明。像濟慈一樣的普通人可能會認為這些小行星是新「行星」（planet），然而今日普遍認為這些小行星的體積過小，不能被認定為行星。

雖然我在數位影像上看到宛如一抹光點、新發現的遙遠冰球，或是看到某恆星旁有著土星大小的伴星，而線索僅是該恆星的位置呈現些微晃動時，這些發現所帶來的新鮮感已不復見，但當我透過小型望遠鏡觀測土星的時候，仍覺得自己旅行於「黃金領域」之中。

然而，對我來說，真實的「柯提茲體驗」（Cortez experience）總出現在我看到從太空船探訪傳回的行星地景影像（有些時候是星雲影像）於眼前揭露的時候。我們探索太陽系的程度已達到能讓我們欣賞其他行星與其巨大的衛星，構成猶如地球一般，具有地理、地質與氣象的複雜又令人驚嘆的世界。這些行星原則上都是你、我未來能夠探訪之地。這些行星雖不適合野餐活動，但我們至少能夠開心地活蹦亂跳，舀起一把泥土，爬上小山坡，抑或是蜿蜒而下進入山谷。有些行星甚至可能有生命的存在。

在本書中，我將與你們分享太陽系行星起源和演化的知識，特別是這些行星的現況。天文學家現在正式承認太陽系只有八顆行星（冥王星已經被除名，本書後面會談及），但像我一樣的地質學家關注的還有許多質量夠大，能夠像行星般運行的天體。這些天體雖然數量眾多無法一一細談，但卻令人著迷，讓我無法忽視它們。

最後，我將談及「系外行星」，就是繞著其他恆星運轉的行星。第一個系外行星於一九九五年被發現，至今，已記錄了數百顆系外行星的存在。我們目前還無法觀察到這些系外行星的任何細節，但已經有足夠資訊能夠比較系外行星系統與太陽系家族的布局方式。

一八一六年，英國詩人約翰．濟慈（John Keats）在閱讀荷馬作品的新譯文後，在其書寫的十四行詩中提及在「黃金領域」（realm of gold）之中「品嚐純粹靜謐」（breathing the pure serene），並說道：

我感覺自己像是觀察天空的人，
當新的行星漫遊至他的觀察區之時，
或像是堅毅的柯提茲帶著如鷹眼的雙眼
緊盯著太平洋—而他的手下
看著彼此滿懷未知的猜測
靜默著，在達理恩的山頂

濟慈運用新天體做為比喻的靈感，可能源自威廉．赫歇爾爵士（Sir William Herschel）在一七八一年觀測到天王星的事件，或是源自首次發現四顆小行星...

引言
第一章 太陽系
第二章 岩質星球
第三章 巨行星
第四章 巨行星的衛星與星環
第五章 小行星
第六章 海王星外天體
第七章 系外行星
延伸閱讀

引言
第一章 太陽系
第二章 岩質星球
第三章 巨行星
第四章 巨行星的衛星與星環
第五章 小行星
第六章 海王星外天體
第七章 系外行星
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